生物质原料及炭化温度对生物炭产率与性质的影响

本研究以竹片、山核桃壳、水稻及油菜秸秆等4种生物质为原料,通过热重分析研究各生物质材料性质与热解特性及生物炭产率之间的关系;并在300～700 ℃下热解6 h制备生物炭,分析生物炭的元素组成及官能团结构。结果表明,在低温段（300～400 ℃）,生物质材料中的纤维素、木质素等组分对生物炭产率影响较明显,木质素含量高的材料产率较高;而400 ℃以上则是灰分含量对生物炭产率影响较大,水稻及油菜秸秆由于灰分含量高,其400 ℃以上的生物炭产率高于竹片及山核桃壳。随着炭化温度的升高,生物炭灰分含量增加,无灰基的碳含量增大,稳定性增强;仅水稻秸秆炭由于灰分含量较高,在高温（500～700 ℃）条件下仍有部分含氧官能团存在。综上,生物炭在一定温度下的产率取决于生物质材料来源,而生物炭的稳定性则主要由炭化温度决定,且温度越高,性质越稳定。     

原料、炭化温度和生物质炭组分对小白菜生长的影响

【目的】探究不同原料、炭化温度和生物质炭不同组分对植物生长的影响,进而揭示生物质炭的增产机制。【方法】分别以木屑和玉米秸秆为原料,在350、450、550℃下裂解得到生物质炭。采用热水浸提法将生物质炭中的可溶性组分（浸提液）与难溶性组分（炭骨架）分离。通过盆栽试验,研究不同生物质炭及组分对小白菜生长的影响。【结果】添加玉米秸秆生物质炭及其各组分处理下,小白菜地上部生物量平均为16.1 g/盆,显著高于添加木屑生物质炭及其各组分（13.0 g/盆）和对照处理（13.5 g/盆）。与地上部生物量类似,添加玉米秸秆生物质炭及其各组分处理下小白菜根长、根表面积、根体积和根尖数等形态学指标较木屑生物质炭和对照处理显著改善。添加炭骨架处理下小白菜地上部生物量平均为16.5 g/盆,较添加原状生物质炭和浸提液分别提高26.9%和17.9%。添加炭骨架处理下小白菜根长、根表面积、根体积和根尖数较添加浸提液处理分别提高64.1%、51.1%、38.3%和80.0%。不同炭化温度裂解得到的生物质炭对小白菜地上部生物量和根系生长无显著影响。与添加原状生物质炭处理相比,添加炭骨架处理下小白菜地上部氮含量提高25.9%,而磷和钾含量分别降低39.7%和14.1%。添加玉米秸秆生物质炭及其各组分处理下土壤pH、有机碳、全氮、速效磷和速效钾含量较添加木屑生物质炭处理分别提高0.1个单位、20.3%、19.1%、29.1%和189.2%。与添加原状生物质炭相比,添加生物质炭骨架处理下土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾含量分别降低14.6%、6.6%、41.3%和55.1%,土壤pH升高0.13个单位;而添加生物质炭浸提液处理下土壤有机碳、全氮和速效磷含量分别降低49.8%、18.9%和24.2%,土壤pH和速效钾含量无显著变化。相关分析表明,不同处理下小白菜地上部生物量与根长、表面积、平均直径、根体积、根尖数等根系形态指标和土壤pH呈正相关,与小白菜地上部磷含量呈负相关。【结论】生物质炭制备原料和组成是影响植物生长的重要因素,玉米秸秆生物质炭较木屑生物质炭有更好的增产效果;玉米秸秆生物质炭经热水浸提后再添加至土壤中有更好的增产效果。生物质炭中可溶性组分对根系生长的促进作用是生物质炭增产的主要机制,而可溶性组分对根系促生作用与原料、制备温度和其本身物质组成密切相关。     

生物质炭对不同质地镉污染土壤性质及有效镉的影响

[目的]研究生物质炭对不同质地镉污染土壤理化性质及有效镉的影响。[方法]按照不同比例配置成砂土、壤土及黏土3种质地的镉污染土壤,通过添加不同比例的生物质炭,模拟研究不同添加量生物质炭对不同质地镉污染土壤pH、EC、有机质、含水率及有效镉含量的影响。[结果]生物质炭尽管提高了不同质地土壤pH,但是没有显著性影响;土壤EC值、有机质含量和含水率均随生物质炭添加量的增加而显著增加。当生物质炭添加量低于4%时,土壤有效镉随着生物质炭添加量的增加呈显著降低,进一步提高生物质炭添加量时土壤有效镉含量变化不明显。和对照相比,当土壤中生物质炭的添加量为2%、4%、8%时,砂土有效镉分别减少2.09%、7.94%、14.50%,壤土分别减少24.00%、32.60%、35.00%;黏土分别减少41.80%、58.80%、63.20%。[结论]该研究为生物质炭在不同质地镉污染土壤中的应用提供理论依据。     

炭化温度对紫茎泽兰生物炭的影响

本文以我国入侵生物紫茎泽兰为原料,在不同炭化温度下热裂解制成生物炭,通过TGA、 BET、 FTIR等手段对制得的生物炭进行表征。结果显示:随着裂解温度升高,紫茎泽兰生物炭产率降低,灰分变化不大,芳香化程度增加,极性减弱,孔隙增多,比表面积增大。     

外源生物质炭对土壤中铵态氮素滞留效应的影响

以生物质炭和黄棕壤为研究材料,通过阳离子交换量测定、铵态氮等温吸附实验以及模拟土柱淋溶,研究生物质炭对土壤铵态氮素滞留效应的影响。发现生物质炭以1%、3%和5%添加后,土壤CEC值分别增加9.4%、14.7%和19.7%,铵态氮素淋失量分别减少22%、39%和47%,氮素滞留量分别增加15%、5%和14%;同时影响氮素在土层中的分布,其中加生物质炭土壤的氮素集中在土柱上部5～7cm处,而不加生物质炭土壤集中在中部偏下9～11cm处。结果表明,生物质炭能够提高土壤对铵态氮素的吸附能力,显著降低土壤铵态氮素养分的淋失。     

炭化温度和时间对烟秆生物质炭微观结构和理化性质的影响

为揭示不同温度和时间炭化的生物质炭微观结构及理化性质差异,以烟秆为原料,研究炭化温度(300、450、600℃)和时间(1、3h)对烟秆生物质炭特性及元素组成的影响。结果表明,烟秆生物质炭呈多孔、高比表面积结构,较为完整地保留了烟秆的组织结构。烟秆生物质炭pH值、有机碳含量、全钾含量和C/N比随炭化温度的升高和时间的延长而升高,而产出率和全氮含量则呈降低趋势。炭化条件对烟秆生物质炭理化性质具有明显影响,炭化温度的影响大于炭化时间。生物质炭的农业应用为烟秆无害化处理提供了新途径,但受生产成本及烟秆就地炭化水平影响,烟秆生物质炭推广应用还有一定的局限性。     

炭化温度对牛粪生物炭结构性质的影响

以牛粪为原料,在不同炭化温度下(200、300、400、500、600、700 ℃)采用热裂解法制备生物炭,借助扫描电子显微镜、元素分析仪、比表面积分析仪,结合Boehm滴定法、碘吸附及亚甲蓝吸附等,对所制得的牛粪生物炭的形貌特征、元素组成、比表面积、孔径、表面官能团和吸附性能等进行分析。结果表明:随着炭化温度升高,产率和挥发分含量降低,灰分和固定碳含量升高,pH值增加,制得生物炭的形貌特征更有规则且孔隙更加紧密。适当的升高炭化温度有利于孔隙的形成及微孔数量的增多,比表面积和孔容逐渐变大,而孔径逐渐减小。随炭化温度升高,牛粪生物炭的C含量增加,而H、O含量减小,N含量先增加后减小,H/C、(O+N)/C和O/C均下降,说明制得生物炭的芳香性和结构稳定性增强,但极性和亲水性减弱。表面官能团中羧基含量随炭化温度升高先增加后降低,羰基含量持续增加,而内酯基、酚羟基含量、酸总量和表面含氧官能团总量逐渐降低。碘吸附值和亚甲基蓝吸附值随炭化温度升高先增加后减小,在600 ℃下吸附值最大。     

炭化温度和时间对不同废菌棒生物炭结构性质的影响

【目的】生物炭的表面性质与其表面的官能团密切相关,探讨不同制备条件对不同材料废菌棒生物炭结构特征的影响可为废菌棒的资源化有效利用提供依据。【方法】以海鲜菇、秀珍菇、银耳的废菌棒为生物质原料,采用限氧裂解法在不同温度(400、500、600、700℃)和不同时间(1.5、2.0、2.5、3.0 h)下制备生物炭,采用傅里叶红外光谱法(FTIR)对不同废菌棒生物炭结构性质进行表征。【结果】随着炭化温度的升高和炭化时间的延长,3种菌棒生物炭蛋白质中C=O、C-N、纤维素中C-O-C、脂肪烃中-CH_3和-CH_2基团的相对含量都随之减少;苯环中的C-H官能团相对含量随之减少,C-C官能团相对含量随之增大,且在700℃,炭化3.0 h条件下达到最大。在相同制备条件下,海鲜菇菌棒生物炭含氧官能团吸收峰峰强最强,银耳菌棒生物炭最弱;秀珍菇菌棒生物炭苯环CC吸收峰峰强最强,银耳菌棒生物炭最弱。【结论】随着炭化温度的升高和炭化时间的延长,生物炭中的蛋白质、多糖和脂肪酸等有机物质逐渐分解,烷基基团缺失,而芳香结构逐渐形成,在700℃,炭化3.0 h条件下生物炭结构最稳定。在3种菌棒生物炭中,海鲜菇菌棒生物炭对于重金属或有机污染物的吸附能力可能最强,秀珍菇菌棒生物炭施入土壤后固碳效果可能最好。     

炭化温度对艾纳香生物炭理化性质的影响

炭化温度是实现艾纳香加工废弃物转化成生物炭的重要因素。本文研究了炭化温度对艾纳香生物炭理化性质的影响,以期为艾纳香生物炭的利用奠定基础。本研究对比了300、500和700℃对艾纳香生物炭产率、比表面积、形貌特征、表面矿质组成及红外光谱特征等理化特性的影响。温度对艾纳香生物炭产率和理化特性影响较大,当炭化温度为300℃时,其产率最高,为45.52%,而且所产生的生物炭保有生物质炭应有C、O为主体;但当温度进一步升高时,其主体结果呈现片状、簇状脱落,直至其主体结构崩解,其C、O元素含量逐渐降低,Na、Mg、K、P、Cl等矿质元素逐渐提高;其来源于糖类、蛋白质、核酸等物质的羟基(-OH)、N-H基、C=O、-COOH等基团逐渐裂解消失,形成-C-C-、Si-O-Si等基团。300~500℃是艾纳香生物炭的最佳炭化温度,在该温度下制备形成的艾纳香生物炭不仅保持了生物炭所特有的比表面积大、多孔等共有形貌结构特征,还保护了艾渣中的C、O结构主体及K、Ca、Mg等矿质元素。     

炭化温度和时间对葡萄枝条炭和棉杆炭特性的影响

为探索适宜于农业应用的葡萄枝条炭与棉杆炭生产条件,将剪短的葡萄枝条和棉花秸秆在不同温度(300℃、450℃、600℃)与时间(1h、2h、4h、6h)组合条件下置于马弗炉中缺氧炭化,测定炭化后2种原料的出炭率、理化特性和元素组成,比较分析不同炭化温度和时间下2种生物炭特性和元素组成,评价其农用性质。结果表明:(1)随着炭化温度的升高和炭化时间的延长,葡萄枝条炭和棉杆炭的出炭率逐渐下降,且葡萄枝条的出炭率(33.14%)低于棉花秸秆(38.19%)。(2)生物炭的pH和电导率随着炭化温度的升高逐渐增加:pH均可增加到10以上,葡萄秸秆炭电导率远低于棉花秸秆炭。(3)随着炭化温度的升高葡萄枝条炭与棉花秸秆炭中的有机炭质量分数下降,全量氮磷钾与钙镁质量分数增加,碱解氮质量分数与速效磷质量分数下降;养分质量分数无论增加还是降低,葡萄枝条炭中的质量分数均低于棉花秸秆炭。同时,炭化时间对生物炭中养分质量分数的影响并不明显。可知炭化温度低及时间短条件下生产的生物炭农用性质较优,即棉花秸秆的炭化性能在300℃、1h炭化条件下为最适农用,葡萄枝条在300℃、2h炭化条件下为最适农用;棉杆炭农用特性优于葡萄枝条炭。     

炭化温度对3种果核类生物炭特性的影响

以葡萄籽、山楂籽、樱桃籽为原材料,在氩气保护下,设置不同温度采用程序升温法制备生物炭,并进行理化性质表征及对Pb2+最大吸附量试验,研究制备温度对3种果核类生物炭的理化性质及其特性的影响。结果表明,随着热解温度的升高,3种果核类生物炭的pH值、灰分含量、比表面积及碳含量均逐渐增大,产率及氢、氧、氮含量逐渐减小;在650、450、350℃条件下制备出的葡萄籽、山楂籽、樱桃籽生物炭对Pb2+吸附效果最佳。随炭化温度升高,生物炭的比表面积逐渐增加,孔隙数量增加,结构发展更完整;脂肪族基团数量逐渐减少,芳香族基团数量逐渐增加,芳香化程度增强。     

炭化温度和时间对猪粪水热炭性质的影响

以猪粪为原料,采用水热炭化法制备水热炭,考察炭化温度(140～220℃)和时间(1～9 h)对水热炭性质的影响。结果表明,猪粪水热炭产率在53. 5%～97. 35%,当温度从140℃增加到220℃时,水热炭中C含量增加了8. 94%,N、S、H含量变化较小,而O含量减少了17. 57%。H/C、O/C和(O+N)/C原子比分别减少了0. 02%、0. 44%和0. 46%; C/N增加了1. 14%,猪粪水热炭中有机质的含量最高为68. 02%,有机质和P_2O_5的含量随炭化温度升高而增加,全氮变化不明显,而K_2O的含量随炭化温度上升而下降了1. 45%。炭化时间的影响类似,但影响程度略小。猪粪水热炭中Cu、Zn、Mn全量较高,并均随炭化温度和时间的增加而增加。     

不同温度制备的生物质炭对土壤有机碳矿化及腐殖质组成的影响

在150～600℃范围内制备生物质炭,并通过室内培养实验研究了施加不同温度制备的生物质炭对土壤有机碳矿化及腐殖质组成的影响。结果表明,随热解温度升高,生物质炭比表面积加大,芳香化结构加深。土壤中添加不同温度制备的生物质炭培养400d后,土壤有机碳的含量都有不同程度的增加。土壤有机碳的累积矿化量随热解温度升高而降低,且添加高温(≥400℃)制备生物质炭的土壤CO2累积释放量低于未添加生物质炭的土壤处理;添加低温(<400℃)制备生物质炭增加了土壤腐植酸和胡敏酸含量,而添加高温(≥400℃)制备生物质炭的土壤其腐植酸和胡敏酸含量的变化不显著。另外,添加生物质炭后,土壤H/F皆未发生显著变化,而胡敏酸的E4/E6值则在添加200℃和250℃制备的生物质炭时显著高于其他处理,添加500℃和600℃制备的生物质炭时显著低于其他处理。     

不同原料生物炭对铵态氮的吸附性能研究

为探讨不同原料生物炭对铵态氮吸附量及吸附机制,以花生壳、玉米秆、杨木屑和竹屑为原料,在500℃下充N_2保护热解制备生物炭,通过电镜扫面图(SEM)与傅立叶红外光谱图(FTIR)表征NH_4~+-N在生物炭表面的吸附特征,结合批量平衡吸附试验,对比研究不同原料生物炭对NH_4~+-N的吸附性能。结果表明:吸附后生物炭表面附着颗粒或粉末物质,孔隙被填充,表面变得较为平坦。四种生物炭表面分布的-OH、-C=O、-C-O,以及花生壳生物炭与玉米秆生物炭表面的-CH_3、-CH_2、-O-参与了吸附;Langmuir方程可以较好地拟合四种生物炭对NH_4~+-N的等温吸附;吸附均在50 min内达到平衡,伪二级动力学方程均可以较好地描述生物炭对NH_4~+-N的动力学吸附过程;在溶液pH=7.00条件下,初始浓度为800 mg·L~(-1)的体系中,四种生物炭对NH_4~+-N的最大吸附量为9.5~15 mg·g~(-1),吸附能力大小为花生壳生物炭玉米秆生物炭竹屑生物炭杨木屑生物炭。研究表明,生物炭表面含氧官能团对吸附NH_4~+-N起到决定性作用,吸附为单分子层吸附,且由快速反应所控制,四种生物炭中吸附性最好的是花生壳生物炭。     

生物质炭对牡丹江植烟土壤改良及烤烟品质的影响研究

为探讨生物质炭在改良植烟土壤和提高烤烟品质研究中的可行性,以牡丹江市宁安县黑土为供试土壤,研究了生物质炭对植烟土壤C/N、土壤微生物、烟株生长发育和烤后烟常规化学成分与中性致香成分的影响.结果表明:施加1 800 kg/hm2生物质炭后,可以提高植烟土壤C/N 31.79％,其土壤中放线菌数量是对照的3.8倍.施加生物质碳烤烟生长优势比较明显,株高、有效叶片数均显著高于对照,烤后烟中总糖和烟碱与对照差异不显著.土壤中施加1 200 kg/hm2生物质炭使烤后烟中钾含量提高11％,施加2 400 kg/hm2生物质炭使烤后烟中总糖含量提高5.40％.施加1 800kg/hm2生物质炭烤后烟茄酮的含量为对照的1.97倍.综合研究表明:植烟土壤中施加1 200～1 800 kg/hm2生物质炭后,可达到改善土壤微环境,促进烟株大田的生长发育和提高烤后烟产质量的三重功效.     

施用生物质炭对不同类型土壤物理性状的影响

为探明施用生物质炭对土壤物理性状的影响,选择了质地与有机质相差较大的8种土壤,设置对照、施用1%生物质炭、施用2%生物质炭和1%商品有机肥4个处理,模拟研究了施用生物质炭对土壤容重、>025 mm水稳定性团聚体和土壤保水性的影响。结果表明,与对照相比,施用生物质炭可明显降低土壤容重,增加土壤的田间持水量,且作用效果随生物质炭用量的增加而增加。施用生物质炭对土壤>025 mm水稳定性团聚体的影响在不同土壤类型上有较大的差异：在壤质砂土中影响不明显;在壤土中具显著的促进作用;在粘土与粘壤土中,其效果因土壤有机质含量不同有所差异,对有机质较高的粘土与粘壤土,因其本身已具有较高含量的水稳定团聚体,施用后无明显效果,但对于有机质含量较低的粘土与粘壤土,施用后具有明显的促进作用。施用生物质炭对降低土壤容重和增加土壤田间持水量的作用比施用商品有机肥更明显,但在促进水稳定性团聚体形成上,生物质炭的作用不及商品有机肥。综合认为,施用生物质炭可明显改善无机胶体含量较高但有机胶体缺乏的土壤的结构。     

生物炭对宁南山区不同质地土壤水分保蓄能力的影响

通过室内用PVC管装土土柱模拟法,对宁南山区不同质地土壤增施生物炭后持水能力的变化进行研究。分别对黄绵土、黑垆土在使用不同质量梯度生物炭的情况下水分入渗特性、自然含水量、淋溶液体积变化的试验研究,明确生物炭对不同质地土壤水分保蓄能力的影响。结果表明:随着生物炭量增加,土壤保水能力增强,黑垆土中施入生物炭后保水性能优于黄绵土。     

生物质炭对土壤肥力的影响研究

以水稻秸秆为原料,研究不同裂解温度(300℃和600℃)和不同施用量(4 t/hm2、12 t/hm2和24 t/hm2)的生物质炭对土壤肥力的影响。结果表明:(1)生物质炭施用量相同,随着裂解温度的提高,土壤p H、有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾含量显著提高,土壤容重下降。(2)随着生物炭施用量的提高,土壤p H、有机质、全氮、速效氮、速效磷和速效钾含量显著提高,土壤容重下降。(3)所有处理组中,600℃下裂解,施用量为24 t/hm2的处理组青菜产量明显高于其他各组。(4) 600℃下裂解,施用量为24 t/hm2的组合对改善土壤肥力和青菜增产效果最好。     

生物质炭对土壤微生物的影响

生物质炭作为一种新型环境功能材料,具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积。生物质炭不仅可以吸附重金属和有机污染物,而且还可以作为微生物载体。由于生物质炭在土壤改良方面的优异表现,以及可实现资源的循环利用,已成为生态学的研究热点。本文通过阐述生物质炭的内涵特性,就生物质炭对土壤微生物的影响展开探讨,以期为促进对生物质炭的有效利用提供一些借鉴。